半干旱地區(qū)檸條生產(chǎn)力與土壤養(yǎng)分及水分相關(guān)性研究

魏佳英，莫保儒，蔡國軍，王子婷，劉彩萍，馬　馳（甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020）

半干旱地區(qū)檸條生產(chǎn)力與土壤養(yǎng)分及水分相關(guān)性研究

魏佳英，莫保儒，蔡國軍，王子婷，劉彩萍，馬馳
（甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020）

選擇不同坡向完整坡面成熟檸條林作為研究對象，2012～2015年連續(xù)對土壤水分、土壤養(yǎng)分、地上生物量和根系生物量進行測定，并開展了其生產(chǎn)力與土壤養(yǎng)分，土壤水分與土壤養(yǎng)分及土壤水分與生產(chǎn)力的相關(guān)分析。結(jié)果表明：土壤養(yǎng)分對檸條林的地上生物量影響不顯著，水分作為當?shù)貦帡l生長的瓶頸因子，大大降低了土壤養(yǎng)分對檸條的影響程度；新梢生長量與當年土壤水分含水量顯著相關(guān)，而作為反應(yīng)自然水分環(huán)境的立地條件是檸條林長期生產(chǎn)力水平主要影響因子；檸條地下生物量在垂直方向上的分布與其剖面土壤水分變化趨勢關(guān)系密切，并且相關(guān)性存在根徑越細相關(guān)性越顯著的特征。

半干旱地區(qū)；檸條；土壤水分；土壤養(yǎng)分；生產(chǎn)力

群落生物量是人工植被結(jié)構(gòu)優(yōu)劣和功能高低的最直接的表現(xiàn)，在干旱半干旱黃土區(qū)也是水分有效利用的綜合體現(xiàn)。自20世紀，隨著重大生態(tài)工程啟動，黃土高原進行大規(guī)模林、草植被建設(shè)，但人們普遍重視植被生產(chǎn)力輕視群落穩(wěn)定性［1］。土壤水分作為調(diào)節(jié)植物群落演變的限制因子，是制約著植物群落的生產(chǎn)力水平的唯一因子［2-4］。也有研究認為，土壤養(yǎng)分同時也影響著植被的生產(chǎn)力和物種組成［5-9］。對植被生產(chǎn)力與土壤水分及養(yǎng)分的相關(guān)性研究，可以揭示植被對干旱環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系，反映植物或生態(tài)系統(tǒng)水平的健康狀況，對于黃土高原水土保持和生態(tài)修復(fù)具有積極意義［10］。同時，本研究還將會對我們進一步研究該區(qū)域人工植被土壤水分植被承載力和土壤干燥化趨勢加劇等方面提供幫助。

1 試驗與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于定西市巉口鎮(zhèn)龍灘流域，屬于半干旱黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地理坐標為104°27′～104°32′E、35°43′～35°46′N，平均海拔1 900 m。年平均氣溫6.8 ℃，1月份平均氣溫-7.9 ℃，極端最高溫38.5 ℃，平均無霜期152 d，平均年日照時數(shù)2 052 h。年均降水量386 mm，主要集中在7～9月份，多以暴雨形式降落，蒸發(fā)量1 439 mm，年平均相對濕度72%，干燥度1.9。

1.2 試驗設(shè)計

選擇完整坡面的檸條成熟林地，按陽坡、半陽坡和陰坡布設(shè)樣帶，每個坡向至少1個樣帶；每條樣帶分別在上、中、下坡位布設(shè)樣地，樣地間距離大于50 m，樣地規(guī)格為20 m×20 m；每個樣地設(shè)3個樣點。

1.3 測定內(nèi)容

1.3.1 土壤水分

0～200 cm土層剖面，每一測層為20 cm， TRIME-FM土壤水分速測儀，測定時間2012～2015年生長季節(jié)，測定周期15 d；0～600 cm土層剖面，每一測層為20 cm，烘干法，測定時間2012～2015年8月份，測定周期1年。

1.3.2 土壤養(yǎng)分

取樣分層為0～40 cm、40～80 cm、80～120 cm，委托農(nóng)科院測試中心測定，取樣時間2012～2015年，測定周期2年。

1.3.3 生物量

地上生物量根據(jù)平茬樣方實測值，對不同坡向平茬樣地單株生物量和冠幅及株高進行回歸分析，得出不同坡向檸條冠幅及株高和生物量的回歸方程（公式1～3）。計算樣地每株生物量，然后統(tǒng)計得到檸條樣地地上總生物量。

陰坡上坡位：生物量=－2.178+3.821×冠幅（P=0.000＜0.01） （ 1）

陽坡上坡位：生物量=－2.225+3.268×冠幅+ 0.448×樹高（P=0.000＜0.01） （ 2）

半陽坡上坡位：生物量=－4.818+3.184×冠幅+2.835×樹高（P=0.000＜0.01） （ 3）

地下生物量不同坡向中坡位選樣方；測層20 cm，分層挖樣坑（長×寬×深：300 cm×100 cm×200 cm）。

新梢生長量每個樣方內(nèi)隨機取樣10株，每個樣株不同部位選10個枝條測量長度。調(diào)查時間2012～2015年，調(diào)查周期1年。

表1 不同立地條件檸條林生產(chǎn)力與其土壤養(yǎng)分

2 結(jié)果與分析

2.1 檸條林生產(chǎn)力與其土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

不同立地條件下檸條樣地土壤養(yǎng)分的變化有著明顯的差異（表1），有機質(zhì)、總氮、總磷、總鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量變化均表現(xiàn)為陽坡樣地最低、陰坡樣地最高。土壤養(yǎng)分較高的陰坡檸條地上生物量較高，但土壤養(yǎng)分較差的陽坡和半陽坡反而具有較高新梢生長量。進一步對各檸條樣地土壤養(yǎng)分含量與地上生物量和新梢生長量進行相關(guān)性分析，顯示土壤養(yǎng)分與兩者之間均不存在顯著性相關(guān)（表2）。由以上檸條林生產(chǎn)力在不同立地條件下的統(tǒng)計值存在差異，而各樣地土壤養(yǎng)分和其生產(chǎn)力的相關(guān)性卻不顯著的分析結(jié)果，可以推斷出：干旱半干旱黃土區(qū)水分對檸條林生產(chǎn)力起決定性作用的同時，也大大降低了土壤養(yǎng)分對其影響的程度。

表2 檸條林生產(chǎn)力與其土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)

2.2 檸條林土壤水分與其土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

檸條林各樣地土壤水分和和養(yǎng)分相關(guān)性不存在顯著性（表3），理論上，植物群落發(fā)育與各環(huán)境因子存在一定規(guī)律性，表現(xiàn)在各環(huán)境因子之間也必然存在某種相關(guān)關(guān)系。但由于本研究試驗材料為當?shù)爻墒旌瓦^成熟檸條群落，加上植物對資源利用在時間上的不同步性，甚至存在水分因子對研究區(qū)植物生長的瓶頸效應(yīng)，使得檸條群落生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)土壤因子之間的相互作用降低。

表3 檸條林土壤水分與其土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)

2.3 檸條林土壤水分與其生產(chǎn)力的相關(guān)性

在研究區(qū)域，立地條件（坡向和坡位）反映了真實的自然水分環(huán)境，其對檸條林地上生物量的影響也是顯而易見的（表1），陽坡、半陽坡和陰坡分別是：5 601.78、7 135.54、7 582.04 kg/hm2（表1），同時也從本質(zhì)上反映了檸條林的生產(chǎn)力水平。對檸條樣地0～200 cm和0～600剖面的土壤水分與其生產(chǎn)力相關(guān)性分析顯示（表4），僅存在0～200 cm剖面的土壤水分與新梢生長量顯著性相關(guān)。這說明人工植被發(fā)育一定時期土壤水分實測值，同時受到植被、降水量和地表蒸散對其綜合作用影響，這一入滲層剖面的土壤水分，對植被生長的影響是短期的，主要表現(xiàn)在對新梢生長上。

檸條樣地根系生物量與土壤水分含量的相關(guān)性主要表現(xiàn)在垂直方向上（圖1），并且相關(guān)性存在根徑越細相關(guān)性越顯著，根徑d＜1 mm為0.968、1 mm＜d＜3 mm為0.935、3 mm＜d＜5 mm為0.941、d＞5 mm為0.868。這說明根系在垂直方向上的分布除了受生物學(xué)特性影響外，很可能與土壤水分垂直分異規(guī)律有關(guān)。

表4 檸條林土壤水分與其生產(chǎn)力的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

1）研究區(qū)域檸條林生產(chǎn)力的高低與其土壤養(yǎng)分相關(guān)性不顯著，同時，其土壤水分與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性也不顯著。這說明土壤養(yǎng)分對檸條的生長發(fā)育的影響是非常有限的；此次，也說明水分作為當?shù)刂参锷L的瓶頸因子，大大降低了其他環(huán)境因子對檸條生長的影響程度。

2）因為成熟檸條林地不同立地條件下土壤水分均得到最大化的利用，群落與土壤水分環(huán)境的相互作用，并處于長期平衡狀態(tài)，所以實測土壤水分值與地上生物量不存在顯著相關(guān)性，但它的作用在于短期對植被生長的影響，所以有新梢生長量與當年土壤水分含水量顯著性相關(guān)。而作為反應(yīng)自然水分環(huán)境的立地條件，才是真實反映群落的長期生產(chǎn)力水平。

3）檸條主根、側(cè)根及毛根在垂直方向上的分布與其剖面土壤水分變化趨勢關(guān)系密切，并且相關(guān)性存在根徑越細相關(guān)性越顯著。

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Study on the Correlations between Community Productivity of Caragana korshinskii and Soil Nutrient & Soil Moisture in Semi-Arid Areas

WEI Jia-ying， MO Bao-ru， CAI Guo-jun， WANG Zi-ting， LIU Cai-ping， MA Chi
（Gansu Academy of Forestry， Lanzhou 730020， China）

Mature Caragana korshinskii of different whole slope were chosen as the research object，soil moisture， soil nutrient， the ground biomass and root biomass during the period from 2012 to 2015 were determined. Related analysis on productivity and soil nutrient & soil moisture， soil nutrient & soil moisture and productivity was studied. Results showed: the growth influence of the soil nutrient on Caragana korshinskii community was very small， water was bottleneck factor as the growth of the local Caragana korshinskii，the influence degree of soil nutrient on the Caragana korshinskii were greatly reduced； new shoots were significantly correlated with the water content of soil moisture， site conditions were the main factor that Caragana korshinskii stand productivity level for a long time； underground biomass distribution and profile soil moisture change of Caragana korshinskii in the vertical direction and relationship were extremely significant，root diameter were thinner， the correlations were more significant.

semi-arid areas； Caragana korshinskii； soil moisture； soil nutrient； productivity

圖1 檸條根系（不同根徑）垂直分布與剖面土壤水分變化

S718.55+6

A

10.3969/j.issn. 1006-0960.2016.02.004

1006-0960（2016）02-0007-04

2016-05-16

國家自然科學(xué)基金項目（231160099）、國家科技支撐課題項目編號：（2015BAC01B02）項目資助

魏佳英（1977—），男，甘肅靖遠人，大學(xué)本科，林業(yè)工程師，長期從事經(jīng)濟林和林業(yè)生態(tài)研究。

莫保儒（1974—），男，甘肅靖遠人，大學(xué)本科，研究員，長期從事半干旱黃土區(qū)植被恢復(fù)研究。